18.1. Wykonywanie sczerpywañ wody ³y¿k¹ wiertnicz¹
Najprostszym sposobem wykonania próbnego pompowania jest sczerpywanie s³u-pa wody ³y¿k¹ wiertnicz¹ opuszczan¹ na linie. Na podstawie sczerpywania s³us³u-pa wody ³y¿k¹ wiertnicz¹ mo¿na ustaliæ iloæ wyeksploatowanej wody w okrelonym czasie oraz depresjê. Mo¿na równie¿ obliczyæ szybkoæ dop³ywu wody do studni.
Tego rodzaju pompowanie mo¿e byæ zastosowane w studniach o ma³ych wydajno-ciach i ma³ych rednicach filtra, w których trudno jest zainstalowaæ pompê oraz przy g³êboko wystêpuj¹cym statycznym poziomie wody. Czerpanie wody mo¿e byæ rêczne lub mechaniczne. Ten sposób ustalania wydajnoci studni jest przybli¿ony z uwagi na brak rytmicznoci czerpania wody.
Obliczenie wydatku sczerpywanej wody mo¿e byæ dokonane na podstawie poni¿-szego wzoru: 3 , dm /min V n Q t ⋅ = (18.1) gdzie:
Q wydajnoæ studni, dm3/min,
V pojemnoæ ³y¿ki, dm3,
n liczba wyci¹gniêtych ³y¿ek,
t czas ³y¿kowania, min.
18.2. Obliczanie wydajnoci i wspó³czynnika filtracji
18.2.1. Obliczanie wydajnoci
Obliczenia wydajnoci ujêæ dokonuje siê zwykle za pomoc¹ metod analitycznych (metod hydrodynamicznych). Jest to grupa najdok³adniejszych i najpewniejszych me-tod obliczeñ wydajnoci studni i ujêæ wód podziemnych.
Metody hydrodynamiczne obejmuj¹:
obliczenia wydajnoci wed³ug wzorów filtracji ustalonej Dupuita na dop³yw wody do pojedynczej studni,
wzory na wielk¹ studniê w przypadku obliczeñ wydajnoci dla zespo³u studni, obliczenia wed³ug wzorów Theisa i Hantusha w przypadku koniecznoci
progno-zowania wydajnoci w warunkach d³ugotrwa³ej filtracji nieustalonej.
18.2.2. Wyznaczanie parametrów hydrogeologicznych
warstw ch³onnych
metodami polowymi w otworach wiertniczych
Uwagi ogólne
Oznaczanie parametrów warstwy wodononej metodami polowymi mo¿liwe jest w przypadku wystêpowania odpowiedniego wyrobiska ods³aniaj¹cego warstwê stano-wi¹c¹ poziom wodonony (Rogo¿, 2007).
Otwory odwiercone do sp¹gu badanej warstwy wodononej i zafiltrowane na ca³ej jej mi¹¿szoci nazywaj¹ siê otworami lub studniami zupe³nymi albo dog³êbionymi. W przypadku du¿ej mi¹¿szoci warstwy wodononej otwór mo¿e nie siêgaæ do jej sp¹-gu. Otwór taki nazywa siê wisz¹cym lub niedog³êbionym. Otwory, w których czêæ zafiltrowana nie obejmuje ca³ej przewierconej mi¹¿szoci warstwy wodononej, nazy-waj¹ siê niepe³nymi lub niezupe³nymi.
W celu okrelenia wartoci parametrów, zw³aszcza wspó³czynnika filtracji, stosuje siê najczêciej wymuszon¹ zmianê naturalnych warunków hydrodynamicznych, miano-wicie obni¿enie zwierciad³a wody w otworze poprzez pompowanie lub sczerpywanie wody albo podniesienie zwierciad³a poprzez wlewanie lub wt³aczanie wody do otworu. Wymuszona zmiana warunków hydrodynamicznych pozwala nie tylko oznaczyæ wspó³czynnik filtracji, ale tak¿e rozpoznaæ zasiêg poziomy warstwy wodononej oraz wielkoæ i sposób jej zasilania.
Sporód wszystkich metod oznaczania wspó³czynnika filtracji (Rogo¿, 2007) za najbardziej wiarygodne i cis³e uwa¿ane s¹ próbne pompowania w otworach. Badania te wykonuje siê bowiem w naturalnych warunkach cinienia, temperatury i mineralizacji wody, w utworach wodononych o nienaruszonej strukturze.
Rzadziej stosowane metody oznaczania wspó³czynnika filtracji polegaj¹ na zale-waniu otworów wod¹, która wskutek wytworzonego nadcinienia infiltruje do badanej warstwy wodononej.
Oznaczanie wspó³czynników filtracji warstwy wodononej metod¹ próbnego pompowania w stanie ustalonym
Interpretacja wyników próbnego pompowania polega na przekszta³ceniu wzo-rów na dop³yw lub depresjê w odpowiednich warunkach, tak by wspó³czynnik filtracji k sta³ siê zmienn¹ zale¿n¹, a dop³yw Q i depresja s, jak równie¿ pozosta³e parametry zmiennymi niezale¿nymi. W przypadku filtracji laminarnej wykorzystuje siê przekszta³-cone wzory Dupuita i Thiema, ewentualnie z poprawk¹ Forchheimera. W przypad-ku filtracji turbulentnej wykorzystuje siê wzory Krasnopolskiego (Pazdro, Kozerski, 1990; Rogo¿, 2007).
Oznaczanie wspó³czynników filtracji warstwy wodononej metod¹ próbnego pompowania w stanie nieustalonym
Idea oznaczania parametrów warstwy wodononej metod¹ próbnego pompowania w stanie nieustalonym polega na mo¿liwie dok³adnej obserwacji przebiegu obni¿a-nia siê zwierciad³a wody w studni lub w otworze obserwacyjnym w funkcji czasu pod-czas pompowania wody ze studni ze sta³¹ wydajnoci¹. W tym celu obok otworu ba-dawczego, w którym wykonywane jest próbne pompowanie, powinny byæ za³o¿one jeden lub dwa otwory obserwacyjne. Odleg³oæ otworów obserwacyjnych od otworu badawczego zale¿y od charakteru warstwy wodononej (naporowa lub swobodna) oraz od jej wstêpnie ocenianej wodoprzewodnoci, przy czym im wiêksza jest wodoprze-wodnoæ warstwy, tym dalej od otworu badawczego umieszcza siê otwory obserwacyj-ne. W przypadku warstwy o zwierciadle napiêtym otwory obserwacyjne powinny byæ umiejscowione w odleg³oci od 80 do 300 m, w przypadku warstwy o zwierciadle swo-bodnym w odleg³oci nie mniejszej ni¿ 1,5 jej mi¹¿szoci, lecz nie dalej ni¿ 100 m (Rogo¿, 2007).
Do interpretacji wyników stosuje siê wzory omówione szczegó³owo m.in. w pra-cach (Pazdro, Kozerski, 1990; Rogo¿, 2007). W zale¿noci od czasu trwania pompo-wania, argument u funkcji studni przyjmuje wiêksze lub mniejsze wartoci. Na ogó³ rozró¿nia siê pompowanie krótkotrwa³e, gdy u > 0,01 oraz pompownie d³ugotrwa³e, gdy u ≤ 0,01. W przypadku krótkotrwa³ego pompowania do interpretacji wyników musi byæ stosowany wzór Theisa, natomiast interpretacjê wyników d³ugotrwa³ego pompowania mo¿na wykonaæ na podstawie przybli¿enia logarytmicznego Jacoba. Równanie Theisa oraz pochodne równania Jacoba, Hantusha i inne maj¹ postaæ zbyt uwik³an¹, by mo¿na je by³o rozwi¹zywaæ analitycznie. Dlatego do interpretacji wy-ników próbnych pompowañ w stanie nieustalonym stosuje siê ró¿ne metody graficzne i numeryczne (Rogo¿, 2007).
Metody interpretacji wyników próbnych pompowañ w stanie nieustalonym umo¿li-wiaj¹ bezporednie okrelenie wspó³czynnika wodoprzewodnoci T oraz pojemnoci S. Znaj¹c wodoprzewodnoæ T i mi¹¿szoæ m warstwy wodononej, mo¿na obliczyæ jej wspó³czynnik filtracji k.
Oznaczanie wspó³czynników filtracji metod¹ zalewania otworów wiertniczych Metoda zalewania otworów wiertniczych polega na ich zalewaniu wod¹, która wskutek wytworzonego nadcinienia infiltruje do badanej warstwy wodononej. Wokó³ zalewanego otworu powstaje sto¿ek nadcinienia, odpowiadaj¹cy kszta³tem odwróco-nemu lejowi depresji (Rogo¿, 2007).
Badanie mo¿e byæ wykonywane przy doprowadzaniu do otworu wody ze sta³ym wydatkiem Q i pomiarze dynamicznej wysokoci s³upa wody nad statycznym zwiercia-d³em wody w warstwie wodononej. Interpretacjê wyniku tego rodzaju badania mo¿na przeprowadzaæ za pomoc¹ tych samych wzorów, które s³u¿¹ do interpretacji wyników próbnych pompowañ w analogicznych warunkach. W obliczeniach depresjê zastêpuje siê wysokoci¹ nadcinienia, a promieñ leja depresji promieniem sto¿ka nadcinienia.
Ten rodzaj badania jest trudny do zastosowania w otworach t³ocznych umiejscowionych w z³o¿ach ropy naftowej i gazu ziemnego, ze wzglêdów technicznych (ma³e rednice koñcowe otworów, uniemo¿liwiaj¹ce równoczesne prowadzenie zalewania otworu i wykonywanie pomiarów s³upa wody).
W g³êbokich otworach wiertniczych, zafiltrowanych lub bosych na odcinku badanej warstwy wodononej, stosowany bywa równie¿ inny rodzaj badania, polegaj¹cy na zalaniu otworu do wierzchu i obserwacji obni¿ania siê zwierciad³a wody w otworze w funkcji czasu. Badanie takie równie¿ wymaga specyficznego sposobu interpretacji wyników.
Poziom wodonony o zwierciadle napiêtym
Zak³ada siê, ¿e otwór wiertniczy jest studni¹ zupe³n¹, to znaczy, ¿e jest bosy, zafil-trowany lub rury ok³adzinowe s¹ sperforowane na d³ugoci odpowiadaj¹cej ca³ej mi¹¿-szoci m badanego poziomu wodononego. Na rysunku 18.1 przyjêto jako poziom od-niesienia H dla wysokoci hydraulicznych poziom sp¹gu badanej warstwy wodononej, lecz poziom ten mo¿e byæ przyjêty dowolnie. Badanie przeprowadza siê w warunkach zmiennego nadcinienia. Polega ono na zalaniu otworu do wierzchu wod¹ lub solank¹ o stê¿eniu zbli¿onym do stê¿enia soli w wodzie z³o¿owej, a nastêpnie pomiarze czasu t obni¿ania siê zwierciad³a cieczy w otworze miêdzy dwiema dowolnie przyjêtymi g³ê-bokociami odpowiadaj¹cymi wysokociom hydraulicznym h1 i h2 (rys. 18.1). Zgodnie z prawem Darcyego, wydatek wch³aniania wody przez warstwê wodonon¹ bêdzie mala³ w miarê zmniejszania siê wysokoci hydraulicznej cieczy wype³niaj¹cej otwór (Rogo¿, 2007).
Rys. 18.1. Schemat oznaczeñ do interpretacji wyników badania ch³onnoci naporowego poziomu wodononego metod¹ zalewania otworu wiertniczego
Ostatecznie wspó³czynnik filtracji badanej warstwy wodononej o zwierciadle na-piêtym mo¿na obliczyæ z wzoru (Rogo¿, 2007):
( )
2 1 2 ln ln 2 r R r h H k mt h H − = − (18.2) gdzie: k – wspó³czynnik filtracji, m/s,m – mi¹¿szoæ warstwy wodononej, m,
h, h1, h2 – wysokoci hydrauliczne, m,
H – wysokoæ statycznego zwierciad³a wody nad poziomem odniesienia, m,
r promieñ studni, m,
R promieñ sto¿ka nadcinienia, m.
Opisana metoda daje wynik przybli¿ony, gdy¿ wartoæ promienia sto¿ka nadcinie-nia R podczas badanadcinie-nia nie jest znana. Promieñ ten z pewnoci¹ nie jest sta³y, lecz zmie-nia siê wraz z up³ywem czasu i spadkiem nadciniezmie-nia, jednak¿e we wzorze wystêpuje pod logarytmem, dlatego jego przybli¿one okrelenie wprowadza relatywnie ma³y b³¹d wyniku. W celu uzyskania przybli¿onego wyniku proponuje siê wartoæ wyra¿enia ln(R/r) przyjmowaæ z przedzia³u 5÷8, co w przybli¿eniu odpowiada wartociom pro-mienia nadcinienia miêdzy 150r, a 3000r. W przypadku otworów wiertniczych o ma-³ych rednicach bardziej prawdopodobna wydaje siê wartoæ logarytmu bli¿sza górnej granicy przedzia³u.
Poziom wodonony o zwierciadle swobodnym
Badanie podobne do wy¿ej opisanego mo¿na wykonywaæ równie¿ w przypadku poziomów wodononych o zwierciadle swobodnym. Za³o¿enie dotycz¹ce zafiltrowania otworu jest identyczne jak w przypadku poziomu o zwierciadle napiêtym, lecz wypro-wadzenie wzoru nieco siê ró¿ni (Rogo¿ et al., 2008).
Ostatecznie wspó³czynnik filtracji badanej warstwy wodononej o zwierciadle swobodnym mo¿na obliczyæ z wzoru (Rogo¿, 2007):
( ) ( )
( )
2 1 2 1 2 1 2 1 2 ln ln 2 r R r h h H h h H k Ht h h H h h H + − − = − − + (18.3)Objanienia jak we wzorze (18.2).
Podobnie, jak w przypadku poziomu wodononego o zwierciadle napiêtym, opi-sana metoda daje wynik przybli¿ony, ze wzglêdu na nieznan¹ wartoæ promienia sto¿ka nadcinienia R. W celu uzyskania przybli¿onego wyniku proponuje siê stosowanie w obliczeniach tych samych zaleceñ co w przypadku poziomu wodononego o zwiercia-dle napiêtym.